[发明专利]柔性结构主动减振装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种主动减振装置，适用于柔性结构的振动主动控制，特别是适用于被控结构参数未知的情形，功能包括参数识别和振动控制。具体涉及信号采集、处理及使作动器有效工作的方法和装置。

背景技术

振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，可以分为被动控制与主动控制两类。被动控制由于不需要外界能源，装置结构简单，在许多场合下减振效果与可靠性较好，已经得到广泛应用。但随着科学技术的发展，人们对振动环境、产品与结构振动特性的要求越来越高，振动被动控制的局限性就逐渐暴露出来。特别是对结构的低频振动控制，被动式控制方法已经不能起到很好的效果。而主动控制技术除了能够在很大程度上弥补被动控制的不足之外，还具有控制效果好、适应性强等优点。因此，主动控制很自然地成为国内外振动工程界的研究热点。振动主动控制技术的研究始于上世纪50年代末60年代初。到上世纪70年代，这一研究已进入广泛探索阶段，并开始在工程领域得到初步应用。上世纪80年代后，振动主动控制技术进入蓬勃发展阶段，并取得了丰富的理论研究成果。从上世纪90年代至今，振动主动控制技术得到了更进一步发展。目前，振动主动控制已经在航空航天、土木、机械、车辆及环境等工程领域得到广泛应用。

对于大多数柔性结构，具有一阶固有频率低，阻尼小，低频共振时振动幅值大等特点。如大型天线、太阳能电池板等大型柔性结构在太空运行时，一旦受到外界干扰，会出现长时间大幅度的自由振动，对航天器的正常工作造成不利影响，严重时会导致结构产生破坏，明显缩短使用寿命。在实际生活中也存在许多类似的结构，如高楼、大跨度桥梁，在风载或地震波作用下会产生大幅度晃动，存在重大的隐患。

目前，国内外针对小阻尼柔性结构的振动主动控制问题已有广泛研究，如高层建筑、大跨度桥等的减振问题都是热门的研究课题。柔性梁是小阻尼柔性结构中最典型的力学模型之一，现实生活中有许多结构可以简化为梁式结构模型，如高楼，大跨度桥梁，尾撑式风洞模型等。在实际工程应用中，经常会遇到带有集中质量的柔性梁式结构，R.F.Fung等在《Journal of Sound and Vibration》2005.288(4-5)：957-980上发表的“Dynamicmodel of an electromagnetic actuator for vibration control of a cantilever beam with a tipmass”中针对该结构采用非接触式电磁作动器进行主动控制研究，减小了作动器附加质量对模型的影响。S.B.Choi等在《Journal of Sound and Vibration》2004.273(4-5)：1079-1086中发表的“Beam vibration control via rubber and piezostack mounts：Experimental work”结合被动式橡胶基座和主动式压电作动器对柔性梁进行主被动联合控制，分别利用了橡胶基座对非共振及高频振动隔振效果和压电作动器对共振频率有效及响应迅速的特点，从而增加了系统控制频率带宽。通常采用的控制方法基本适用于梁式结构，PID控制、直接速度反馈控制、最优控制以及自适应控制等多种控制方法都曾用于柔性梁的振动主动控制，并且从理论仿真到实验研究，都取得了不同程度的研究成果，对实际工程应用起到实际指导作用。

工程实践中应用最广泛的是PID控制和与其相关的混合控制方法，PID控制的效果相当于改变系统原有的质量、刚度和阻尼特性，在抑制系统共振方面具有很好的控制效果。Yun-Hu Liu在《Journal of Low Frequency Noise》上发表的文章“Application of aproportional feedback controller for active control of a vibration isolator”中采用速度反馈控制即可将系统共振情况下振动能量降低99％。但是，当系统受复杂激励(如随机激励)作用时，采用单纯的PID或其它经典控制方法都无法取得理想的控制效果，其主要问题在于无法准确获得激励信号或外扰的信息。

目前针对柔性结构振动的控制问题已有深入的研究，但是大多数成果多偏重于控制算法的研究，虽然从数值仿真的角度可以得到很好的控制效果，但实际应用中如果遇到系统激励条件复杂，传感器检测信号存在较严重干扰的情况时，许多控制方法将无法实现控制的目的，相反，严重时还会导致系统不稳定，使被控对象振动加剧。目前，柔性结构振动在复杂激励条件下的控制方法在实际应用过程中主要包含以下问题：